Witajcie moi drodzy
Tutaj pokażę moje testy gniazda elektrycznego-ładowarki USB zakupionego na eBayu. Jest to po prostu zwykłe gniazdo elektryczne które dodatkowo posiada wbudowany zasilacz 5V/2A pozwalający na zasilanie urządzeń poprzez dwa złącza USB, takie jak mają komputery i ładowarki. Można w ten sposób ładować np. telefon, tablet, czy tam powerbank.
Uwaga
To jest normalne gniazdo elektryczne. Znajduje się w nim napięcie sieciowe, niebezpieczne dla zdrowia i życia. Obchodzić się z nim, montować je powinny tylko uprawnione do tego osoby. Odradzam jakichkolwiek samodzielnych działań z tym (lub z jakimkolwiek innym) gniazdem.
Zakup gniazda-ładowarki
Gniazdo zostało kupione przeze mnie na eBayu:
W ofercie jest kilka różnych rodzajów gniazd. Jest wersja bez USB, wersja 1.5A i 2A. Wybrałem wersję najmocniejszą, czyli "5V 2A USB port".
W momencie kupowania (16 listopad 2019) cena była nieco niższa:
Kupiłem je wtedy za 3.89£, czyli jakieś 20 zł.
Na paczkę czekałem dość długo. Całość przyszła dopiero 21 stycznia 2020:
Paczka dość duża, oczywiście nie była wysłana jako polecona, tylko listonosz po prostu włożył ją do skrzynki.
Zawartość:
Naklejka na folii zdaje się nam zdradzać symbol gniazda bądź serię jego produkcji, chociaż w Google jest dość mało wyników gdy go wyszukamy.
W każdym razie podpis brzmi:
TKDH10H53-2
A08R10-L4-02
Żadnego konkretnego modelu/producenta tego gniazda nie ma podanego.
Wymiary gniazda
Z przodu gniazdo ma standardowe wymiary, jednakże oczywiście z tyłu jest nieco większe.
Tutaj porównanie jego z jakimś starym gniazdem które miałem na strychu:
Tutaj dokładny wymiar który pokazuje wymaganą głębokość puszki:
Jakieś 30mm. Czyli nie jest źle, do większości puszek chyba się zmieści.
Mały 'teardown', czyli zaglądamy do środka
Na początku rozłożyłem całość i przyjrzałem się dokładnie jak jest zbudowana.
Biały front trzyma się na czterech plastikowych zaczepach:
Po zdjęciu frontu:
Zbliżenie na bardziej interesującą nas część:
Płytkę z zasilaczem impulsowym można po prostu wysunąć ze środka, choć trzeba uważać na przewody, najlepiej je delikatnie odsunąć śrubokrętem by nie blokowały:
Płytka w całej okazałości. Część elementów jest w SMD (montaż powierzchniowy), część w THT (montaż przewlekany):
Dioda LED między portami USB to dioda standby - świeci się cały czas.
Cały zasilacz jest oczywiście impulsowy, w topologii flyback, co zresztą nieco dalej będzie jasne.
Na płytce są dwa duże kondensatory elektrolityczne, jeden po stronie pierwotnej, drugi po stronie wtórnej.
Płytka podpisana jest czymś co wygląda jak data produkcji (2019-9-4) oraz model płytki (HC-CW241).
Płytka od strony lutów:
Widać jaki jest odstęp pomiędzy stroną pierwotną i wtórną (izolacja od sieci), jednakże ciężko jest ocenić izolacje ostatecznie gdyż zależy to też od jakości wykonania transformatorka, który trzeba by rozłożyć by to sprawdzić.
Widać też, że piny D+ i D- od złącz USB są razem.
Piny 5V od portów USB też są połączone, masy oczywiście też.
Widać również luty kondensatora, który jest pomiędzy stroną pierwotną i wtórną.
Na zdjęciu spodu płytki widać również, że transformator ma jedno uzwojenie po stronie wtórnej, i dwa uzwojenia po stronie pierwotnej. Najwyraźniej regulacja napięcia odbywa się w pełni po stronie pierwotnej, za pomocą uzwojenia feedback, a nie tak jak w przypadku wielu innych przetwornic za pomocą transoptora.
Płytka podświetlona:
Zbliżenie na układ kontrolera przetwornicy impulsowej:
Można z niego odczytać oznaczenie:
HX3612A
P31O557
Niestety nie znalazłem jego noty katalogowej, kilka wyników w Google jest, ale część nie chce się ładować. Może ktoś z czytelników wie co to za układ?
Na płytce nie widać żadnych tranzystorów, a układ ten podłączony jest bezpośrednio do uzwojeń transformatorka, więc można łatwo wywnioskować że jest to kontroler przetwornicy w topologii flyback ze zintegrowanym MOSFETem.
Sam układ zasilany jest najprawdopobniej z 12V - zmierzyłem napięcie na pinach kondensatora elektrolitycznego E2 o pojemności 4.7uF na napięci 50V, widocznego na zdjęciu.
Zdjęcie całości płytki z góry:
Kondensator po stronie wtórnej, filtrujący 5V dla portów USB to CapXon 470uF 6.3V:
Kondensator po stronie pierwotnej jest na 400V i ma pojemność 6.8uF:
Nie widzę po stronie wtórnej żadnego innego kondensatora, chociaż prosiłoby się dać tutaj jeszcze 100nF ceramicznego, pewnie w obudowie SMD.
W zasadzie to można by go dolutować we własnym zakresie...
Pod kondensatorem od strony pierwotnej kryje się mostek prostowniczy montowany powierzchniowo:
Ma on symbol MB10F.
W sieci łatwo jest znaleźć jego notę katalogową:
Przed mostkiem prostowniczym jest tylko rezystor podpisany FR1, a dokładniej to Fusible Resistor.
Fusible Resistor, czyli rezystor bezpiecznikowy łączy rolę rezystora i bezpiecznika. Jest to rezystor który po przekroczeniu jego mocy nominalnej szybko ulega przepaleniu i przerywa obwód jednocześnie chroniąc układ przed uszkodzeniami.
Nie widzę tam jednak żadnego filtru przeciwzakłóceniowego, więc zastanawiam się, na ile ta przetwornica może "siać" zakłócenia po sieci.
Nieco dalej można rozpoznać trzy elementy (rezystor R2 - oznaczenie 204, kondensator C2 - oznaczenie 102 1KV, dioda D1 - oznaczenie A7) które tworzą gasik szpil na uzwojenie pierwotne transformatora:
Jeszcze na koniec zbliżenie na diody D3 i D4 (oznaczenie SS54), które są po stronie wtórnej transformatora i prostują wyjście z niego przed podaniem go na kondensator 470uF i do złącz USB:
Warto zwrócić uwagę, że diody są dwie, podłączone równolegle.
Dwie diody pozwalają rozdzielić prąd całkowity po połowie, odciążając nieco każdą z diod, jednak z wielu powodów uzyskanie równego rozkładu prądów z użyciem diod krzemowych, w sposób widoczny na płytce, jest praktycznie niemożliwe
Do tego dziurkowany fragment laminatu tworzy tutaj prymitywny radiator by móc chociaż troszkę oddawać ciepło. Jego zdjęcie od spodu:
Wyżej pokazane diody D3 i D4 to diody Schottkiego, ich nota katalogowa jest dostępna w sieci:
Na koniec zrobiłem szkic połączeń elementów z płytki. Szkic nie jest kompletny, brakuje na nim dwóch rezystorów i dokładnego podłączenia scalaka, ale daje jakieś pojęcie o tym co się tam dzieje:
Po przeanalizowaniu doszedłem do wniosku, że całość działa mniej więcej tak:
Przewód fazowy podłączony jest do mostka Greatza MB10F przez rezystor bezpiecznikowy, który ogranicza prąd ładowania kondensatora E1 i jednocześnie stanowi zabezpieczenie przed nadmiernym poborem prądu spowodowanym niepoprawną pracą przetwornicy
Dalej znajdujący się kondensator E1 6.8uF na 400V filtruje napięcie wejściowe. Główny układ przetwornicy zasilany jest na początku poprzez rezystor R1 (305 - 3MOhm), ładuje on kondensator E2 4.7uF 50V podłączony zapewne do pinu VCC kontrolera (wg. pomiarów to 12V). Przetwornica startuje i przepuszcza prąd przez uzwojenie pierwotne. W ten sposób w jego rdzeniu magazynowana jest energia która zostaje przekazana do uzwojenia wtórnego oraz uzwojenia feedback po rozwarciu wewnętrznego tranzystora w układzie kontrolera na końcu cyklu narastania prądu. To skutkuje pojawieniem się prądu na pozostałych uzwojeniach. Uzwojenie feedback przejmuje rolę zasilania układu kontrolera i również służy do kontroli napięcia wyjściowego (pewnie na dzielniku rezystorowym, nieuwzględnionym na szkicu schematu). Rezystor R5, ten jednoomowy, zapewne służy do kontroli prądu przetwornicy.
Elementy R2, C3, D1 stanowią gasik/snubber którego rolą jest redukcja dzwonienia i gaszenie impulsów szpilowych napięcia które indukują się na uzwojeniu pierwotnym w trakcie przełączania.
Po stronie wtórnej zasadniczo wszystko jest jasne. Dwie diody Schottkiego prostują napięcie, które idzie na kondensator elektrolityczny E3 (470uF, 6.3V), dalej jest tylko rezystor 1k R6 który cały czas obciąża wyjście przetwornicy oraz dioda LED standby.
Nie daję pewności, że powyższy opis jest poprawny. Jeśli czegoś więcej się dowiem to go poprawię i zaktualizuję, a może ktoś z czytelników coś wniesie?
Pierwsze pomiary
W celu dokonania pomiarów podłączyłem gniazdko tymczasowo do trójżyłowego kabla sieciowego z wtyczką.
Oczywiście podłączyłem całość zgodnie z ogólnoprzyjętymi normami (odpowiednie podłączenie przewodu liniowego L - fazy, przewodu ochronnego PE - uziemienia oraz przewodu neutralnego N - zera).
Na początek za pomocą takiego multimetru jakiego miałem pod ręką (DT-9208A) zmierzyłem pobór prądu z sieci przez zasilacz bez obciążenia:
0.326mA - wartość tę należy traktować z pewnym dystansem, bo nie jest to multimetr wysokiej klasy, ale i tak nie jest źle.
Próbowałem też zmierzyć to za pomocą miernika zużycia prądu z chin, ale on nic nie złapał:
Następnie sprawdziłem napięcie na wyjściu przetwornicy bez obciążenia:
5.21V, czyli w granicach normy USB. Ale wartość napięcia bez obciążenia raczej nam dużo nie mówi, więc zaraz spróbujemy obciążyć przetwornicę i zobaczymy co się stanie.
Na początek spróbowałem potestować jak poradzi sobie z ładowaniem starego, niepotrzebnego już mi telefonu Kruger&Matz. Podpiąłem go poprzez miernik napięcia/prądu USB Doctor:
Nie jest źle.
Prąd ładowania: 0.67A
Napięcie ładowania: 5.13V
Moc pobierana z sieci (wg. miernika): 4.6W
Następnie uznałem, że sprawdzę jak zachowa się przetwornica przy obciążeniu jakiegoś 1 ampera.
Jeśli wiemy, że napięcie wynosi 5V i chcemy by popłynął prąd 1A, to możemy z prawa Ohma wyliczyć, że potrzebujemy rezystora 5 omów.
Zajrzałem do mojego zbioru rezystorów mocy z wylutu (głównie ze starych telewizorów CRT):
I znalazłem tam odpowiedni o zbliżonej wartości (4.7 omów):
Do tego wziąłem gniazdo micro-USB/breakout:
I tak przygotowałem odpowiednie obciążenie:
Teraz testy z rezystorem 4.7 omów w roli obciążenia:
Prąd ładowania: 0.97A
Napięcie ładowania: 5.17V
Moc pobierana z sieci (wg. miernika): 6.5W
Potem zadecydowałem, że spróbuje obciążyć zasilacz jeszcze mocniej. Przygotowałem drugie obciążenie, z dwóch rezystorów połączonych równolegle:
I użyłem prostego huba USB by podłączyć oba obciążenia naraz:
Wyniki testu okazały się dość dobre. Nawet przy prądzie 1.56A napięcie na wyjściu nie spada poniżej 5V!
Prąd ładowania: 1.56A
Napięcie ładowania: 5.03V
Moc pobierana z sieci (wg. miernika): 10.5W
Na koniec z ciekawości sprawdziłem co się stanie jak przekroczę nominalne 2A wydajności prądowej tej przetwornicy. Z rezystorów złożyłem nieco większe obciążenie i podłączyłem je:
Jak widzimy, niestety w tym momencie napięcie na wyjściu już spada daleko poza granice standardu USB.
Ale nie powinno nas to dziwić, przetwornica ma wydajność prądową określoną jako maksymalnie 2 ampery, więc nie musi działać poprawnie po jej przeciążeniu.
Prąd ładowania: 2.20A
Napięcie ładowania: 3.12V
Moc pobierana z sieci (wg. miernika): 9.6W
Dwunastogodzinny test pod obciążeniem 1.5A
Następnego dnia uznałem, że warto jeszcze sprawdzić jak mocno nagrzewa się całość przy dość dużym obciążeniu, powiedzmy 1.5A. Oczywiście wiadomo, że na pewno w ścianie w puszcze może się nagrzać mocniej, w zależności też od temperatury otoczenia, ale podstawowy dwunastogodzinny test obciążenia mimo wszystko nam powie czy całość nie zadymi po paru godzinach.
Do mierzenia zużycia energii (i też czasu działania) użyłem zakupionego na eBayu chińskiego 'energy meter'.
Do mierzenia temperatury użyłem swojego pirometru UT300C.
Początek testu (podłączenie):
Temperatura na początku testu:
Po 20 minutach robi się już ciepło:
Po 30 minutach. Dodatkowo zdjęcia pokazują pobór prądu i napięcie na ten moment.
Po godzinie:
Ostatecznie, po 12 godzinach:
Podsumowanie dwunastogodzinnego testu:
Gniazdo było obciążone tak, że przez 12 godzin pobierany był prąd mniej więcej 1.5A. Całość w temperaturze pokojowej. Pomiary temperatury wykonywałem pirometrem, stopniowo widać było że zasilacz coraz bardziej się nagrzewa, aż do jakiś 55°C. Bariera 60°C nie została przekroczona.
Przez cały czas napięcie na wyjściu i prąd utrzymywał się mniej więcej taki sam.
Nic się nie stopiło, nic nie zadymiło, i cały test poszedł dość dobrze.
Co się dokładnie grzeje?
Potem sprawdziłem jeszcze co dokładnie na płytce się grzeje. Tym razem uruchomiłem wszystko z płytka zasilacza wyjętą z plastiku na 6 godzin, obciążenie 1.5A. Pomiary znów zrobiłem pirometrem. Pomiary wykonywałem parukrotnie, zaokrągliłem wyniki.
Oto wyniki pomiarów:
Kondensator ze snubbera - 65°C
Rezystor ze snubbera - 60°C
Dioda ze snubbera - 55°C
Diody schottky po stronie wtórnej - 50°C
Kontroler przetwornicy - 40°C
Transformatorek - 40°C
Kondensator elektrolityczny po stronie wtórnej - 35°C
Pozostałe elementy (takie jak np. mostek Greatza) mniej, 20°C i tego rzędu.
Podsumowanie
Opisałem tutaj wykonane przeze mnie podstawowe testy gniazda sieciowego z portami USB. Ich wyniki wyszły lepiej, niż się spodziewałem - wygląda na to, że produkt rzeczywiście trzyma się standardu USB. Napięcia są w normie i nie spadają mocno nawet przy obciążeniu rzędu 1.5A. To na pewno jest lepsze niż to, czego można się spodziewać po tanim no-name produkcie.
Oczywiście takie proste testy zrobione amatorsko nie są za bardzo miarodajne. Aby w pełni ocenić produkt, przydałoby się wykonać znacznie więcej testów, zajrzeć do transformatorka i ocenić jego izolację, sprawdzić jak zasilacz radzi sobie przy większych odchyleniach napięcia sieciowego, zmierzyć tętnienia napięcia oraz to jak bardzo układ sieje zakłóceniami po sieci.
W każdym razie, ostateczny werdykt zostawiam Wam - co sądzicie o tym produkcie, jak również ogólnie o montowaniu gniazd USB w ścianach? Zapraszam do dyskusji.
Fajne? Ranking DIY Pomogłem? Kup mi kawę.
